智慧湖泊生态环境数据采集小船设计

智慧湖泊生态环境数据采集小船设计摘要随着科技的进步，经济的发展，水污染问题日益严重，生活用水安全问题受到了广泛关注。本设计研究的内容为智慧湖泊生态环境数据采集小船设计。主要由超声波测距模块、红外避障模块、水质检测模块、433MHZ遥控模块、‎ZigBee通信、STM32单片机、GPS定位模块、空气质量检测，小船等部分组成；采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。关键词：STM32单片机；GPS定位;超声波测距

目录TOC\o"1-3"\h\u第1章绪论 第1章绪论1.1研究背景湖泊是地球上重要的淡水资源之一，对于维持生态平衡和人类生活至关重要。然而，湖泊生态环境的监测和保护面临着一些挑战。传统的数据采集方法可能存在困难，如人力物力投入大、覆盖范围有限、无法实时监测等问题。因此，设计一种智慧湖泊生态环境数据采集小船成为解决这些问题的一种途径。该小船可以搭载各种传感器和仪器，能够收集湖泊中的水质、水温、水位、气象等数据。通过无人驾驶或远程遥控的方式，小船可以在湖泊中自主航行，实时采集数据并传输至数据中心。1.2研究目的及意义1.提高湖泊生态环境数据采集的效率和准确性：传统的人工采样和固定式监测站方法存在采样点有限、时间和人力成本高等问题，无法全面了解湖泊的生态环境状况。智慧湖泊生态环境数据采集小船能够通过自主导航和多传感器搭载，实现对湖泊的全面监测，提高数据采集的效率和准确性。2.实现湖泊生态环境监测的实时性和连续性固站通常只能固定在某一特定位置，无法满足湖泊动态变化的要求。智慧湖泊生态环境数据采集小船可以在湖泊表面自由移动，能够实时、连续地监测湖泊的水质、水温、水位等参数，提供更加全面、精细的湖泊环境数据。3.支持湖泊生态系统管理和保护决策：湖泊水资源储存和供应系统，对于生态系统的可持续发展至关重要。通过智慧湖泊生态环境数据采集小船获得的高质量数据，可以为湖泊生态系统的管理和保护提供科学依据。基于这些数据，决策者能够更好地了解湖泊的变化趋势、污染源及其影响，制定相应的管理措施和环境保护策略。4.推动智能化技术在湖泊环境监测领域的应湖泊生态环境数据采集小船的设计与研究，涉及到多个技术领域，如自主导航、传感器技术、数据处理与传输等。推动这些智能化技术在湖泊环境监测领域的应用，有助于推进智慧湖泊管理系统的发展，提升湖泊环境监测的自动化程度和智能化水平。综上所述，智慧湖泊生态环境数据采集小船的重要的理论和实际意义。它有助于提高湖泊生态环境数据采集的效率和准确性，实现湖泊生态环境监测的实时性和连续性，支持湖泊生态系统管理和保护决策，并推动智能化技术在湖泊环境监测领域的应用，促进湖泊可持续发展和环境保护。采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。1.3国内外研究现状对水资源方面国际上的研究人员在这领域对技术不断去探索创新。在2022年，国内的研究人员马巧梅等人在《基于物联网的农村饮用水水质监测系统的设计》中由于周边地区工业化的推进，农村饮用水水质受很大影响，有些地方甚至出现无法正常饮用的情况，由此，基于物联网的农村饮用水水质监测系统便应用而生。[19]在2021年，刘昌林等人的团队在《基于S单片机的智能避障小车设计》中智能小车的循迹避障功能是无人驾驶技术中的重要部分，是实现小车完成正常行驶的关键。[20]他的设计以STM32单片机为核心，采用PID速度控制算法控制电机转速，并使用传感器检测小车运动路线轨迹和障碍物，将传感器采集到的信息传递给单片机。通过单片机控制，从而在规定的路线上实现循迹和避障功能在2022年七月初，周晶等人在《基于水下的多传感器水质监测系统研制》中为了满足多种水环境的大范围、长期监测需求，高效获取并存储动态水质数据，开发了一种基于新型水下移动平台的多传感器融合水质监测系统。[21]该装置可搭载于水下移动平台，适用于多种类型水域浅表层的水质数据采集和处理。测试结果表明，该系统不仅可以提升水质监测的便捷性与及时性，提高水环境生态监测水平，还可以为新工科背景下多传感器物联网状态监测与故障诊断课程提供实验平台在2022年WongFeliciaMyan的团队在《COAA*—AnOptimizedObstacleAvoidanceandNavigationalAlgorithmforUAVsOperatinginPartiallyObservable2DEnvironments》避障和导航(OAN)算法通常采用离线或在线方法。[22]前者速度快，但需要全球地图知识，而后者通常在显式解决方法中计算量更大，或者在人工智能(AI)支持的代理形式中缺乏可配置性。为了将OAN算法用于大规模生产的机器人，更具体地用于多旋翼无人飞行器(UAV),这些算法的计算要求必须足够低，使得其计算可以完全在同伴计算机上完成，同时足够灵活以在没有先验地图的情况下工作，如大多数真实生活场景的情况。提出了一种高度可配置的算法，称为最近避障和A*(COAA*)，它足够轻便，可以在无人机的同伴计算机上运行。该算法摆脱了离线和在线OAN算法的传统缺点，同时保证收敛到全局最小值。该算法已在泰勒大学自主机器人研究集群的重型升力实验(HLX)无人机上成功实现，仿真结果与真实结果吻合良好，表明该算法具有广泛应用的潜力。1.4主要研究内容1.设计智慧湖泊生态环境数据采集小船的结构和机械系统：研究人员将设计小船的结构，包括外形、尺寸和稳定性，以确保小船在湖泊表面自由移动时的稳定性和操控性。机械系统的设计将涉及推进器、舵机等，以实现小船的自主导航和准确的运动控制2.配备水质和空气质量监测传感器和设备：选择并搭载适用的水质和空气质量监测传感器和设备，用于实时监测湖泊的关键参数，如浑浊度、pH值以及空气中的颗粒物浓度、气体污染物浓度等。传感器的选择将考虑其精度、稳定性和实时数据传输能力。3.开发智能化的数据采集和处理系统：研究人员将开发智能化的数据采集和处理系统，以实现湖泊生态环境数据的实时采集、传输和处理。这可能涉及数据传输技术、实时数据处理算法以及数据存储系统的开发，确保高效、可靠地获取和处理湖泊生态环境数据。4.评估小船的性能和可靠性：研究人员将进行实地测试和验证，评估智慧湖泊生态环境数据采集小船的性能和可靠性。这将包括小船的自主导航能力、传感器的准确性和稳定性，以及数据采集和处理系统的有效性。同时，还将验证小船在湖泊环境中的适应性和可靠性，以确保其在实际应用中的有效性通过以上研究内容的实施，可以实现对湖泊水、pH值和空气质量的实时监测和数据采集，为湖泊生态环境管理和保护提供科学依据，促进湖泊可持续发展和环境保护的实现。第2章系统总体结构2.1设计方案本设计研究的内容为智慧湖泊生态环境数据采集小船设计。该套系统主要由超声波测距模块、红外避障模块、水质检测模块、433MHZ遥控模块、ZigBee通信、STM32单片机、GPS定位模块、小船等部分组成；采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。在智慧湖泊生态环境数据采集小船设计中，上位机与下位机之间的通信可以通过以下方式建立：ZigBee通信：使用ZigBee无线通信技术实现数据传输交换。ZigBee模块作为下位机的通信模块，主要是把采集到的数据经过无线传输传输到上位机上。上位机也配备相应的ZigBee通信模块，以接收来自下位机的数据。上位机功能：数据接收与显示：上位机通过ZigBee模块接收下位机发送的数据，并进行解析和处理。然后，并对其进行分析、处理。随后，将所接收的数据显示出来。GPS定位记录：上位机记录下位机GPS定位模块采集的地点信息，包括经纬度等定位参数，以便后续分析和展示。水质检测记录：上位机记录下位机水质检测模块采集到的浑浊度和pH值等水质参数，同时记录检测的时间戳，以监测湖泊水质的变化阈值设定：上位机可以设定浑浊度和pH值的判断水质是否超过安全范围，可以进行报警或其他措施。超声波测距数据记录：上位机记录下位机超声波测距模块测量到的障碍物的距离数据，以便分析湖泊环境中障碍物分布情况。下位机功能：GPS定位数据发送：下位机将GPS定位模块采集到的信息通过ZigBee通信模块传输至上位机，以便上位机记录和展示。水质检测数据发送：下位机将水质检测模块采集到的浑浊度和pH值等参数通过ZigBee模块发送给上位机，以进行水质分析和记录遥控模块与红外避障模块：下位机配备433模块可根据远程命令进行操作。红外线避障模组，可侦测周边障碍物，并通过相应的算法使小船躲避障碍物。超声波测距数据上传：利用ZigBee模块将由下位机的超声测距模块测得的障碍物的距离数据上载到上位机。利用ZigBee通讯，主机与主机间可以实现对主机采集到的数据的实时接收、记录、分析、显示等功能，实现智慧湖泊生态环境数据采集小船系统的通信控制功能。其实物图如2.1所示，系统框架图如2.2所示。图2.1实物图图2.2总体框架图2.2功能需求分析2.2.1技术路线1.硬件部分需要单片机STM32F103c8t6、超声波测距模块、空气质量检测模块、红外避障模块、水质检测模块、433MHZ遥控模块、ZigBee通信、GPS定位模块、小船。2.软件平台程序用keil5。3.编程语言用C语言。2.2.2预期结果完成一个智慧湖泊生态环境数据采集小船设计，并且该设计能实现的功能如下：该套系统主要由超声波测距模块、空气质量检测模块、红外避障模块、水质检测模块、433MHZ遥控模块、ZigBee通信、STM32单片机、GPS定位模块、空气质量检测、小船等部分组成；采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接收数据并显示，水质检测模块检测浑浊度和pH值等水质情况，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。将GPS模块的位置定位发送到电脑端并记录GPS定位模块采集的地点；将水质检测模块采集到数据发送到电脑端记录水质检测模块采集到浑浊度、pH值；电脑端记录检测的时间；电脑端对浑浊度和pH值的阈值进行设定。电脑端发送指令控制小船的移动；红外避障模块使小船躲避障碍物；将超声波测距模块检测到的障碍物距离上传到电脑端并且记录到障碍物的距离；具备巡航功能，按照电脑端预设的方向巡航采集湖泊生态环境数据。1.ZigBee通信，电脑端上位机2.上位机：接收下位机发来的数据并显示；系统记录GPS定位模块采集的地点；系统对空气质量检测模块所收集的数据进行了统计，例如：颗粒物，危险气体等；系统对水质检测模块所收集的数据进行了统计，例如：浑浊度，pH值等；系统对探测时间进行记录；系统对混浊体系和pH值的阈值进行设定；系统记录超声波测距模块测量到的障碍物的距离；3.下位机：向PC机发送GPS模块的定位信息；通过对水质监测模块的数据进行处理，并将数据传输给PC机；通过对空气质量监测模块的数据进行处理，并将数据传输给PC机；433MHZ远距离控制船体运动；红外避障模块使小船躲避障碍物；将超声波测距模块检测到的障碍物距离上传到上位机。2.3总体方案设计1.小船结构设计：设计小船的外形和尺寸，确保其稳定性和操控性。选择适当的材料和结构，以提供良好的抗风浪和水流干扰的能力。考虑小船的舱室布局，以容纳传感器、设备和数据处理系统。2.传感器和设备选择：选择适用于水质和空气质量监测的传感器和设备。包括浑浊度传感器、pH传感器、颗粒物传感器、气体传感器等。确保传感器具有高精度、稳定性和实时数据传输功能。3.智能化导航系统设计：设计小船的自主导航系统，以实现自动化的航行和路径规划。集成GPS、惯性导航传感器和遥感技术，确保小船能够准确导航并避免碰撞障碍物。4.数据采集和处理系统设计：开发智能化的数据采集和处理系统，实现湖泊生态环境数据的实时采集、传输和处理。设计数据传输通信模块，确保数据的稳定传输。开发实时数据处理算法，进行数据校准、分析和可视化展示5.能源供应系统设计：设计高效的能源供应小船在长时间的数据采集任务中持续运行。考虑使用太阳能、电池或燃料电池等能源供应方式，以满足小船的动力和传感器设备的能量需求。6.安全保护机制设计：为小船设计安全保护机制，包括防水措施、碰撞避免系统和紧急停止机制等。确保小船在恶劣天气或遇到意外情况时能够及时应对并保护设备的安全7.实地测试和验证：在真实湖泊环境中进行测试和验证。评估小船的性能、可靠性和数据采集准确性。根据测试结果进行优化和改进，确保小船在实际应用中的有效性。总体方案设计旨在实现智慧湖泊生态环境数据采集小船的设计和开发。通过综合运用结构设计、传感器选择、智能化导航系统、数据采集和处理系统、能源供应系统以及安全保护机制，实现对湖泊水质和空气质量的实时监测和数据采集，为湖泊环境管理和保护提供科学依据。2.4单片机型号选择在进行芯片选型时，需考虑项目的具体需求和应用场景。下面是针对K210、STM32和STC51这三款芯片的简要介绍：K210芯片：K210是一款由中国芯片设计公司思必驰（Sipeed）开发的高性能AI芯片，基于双核64位RISC-V处理器。K210具备较强的计算能力和丰富的外设接口，适用于图像识别、机器学习、人工智能等复杂的应用场景。它支持多种编程语言和开发环境，如MicroPython、C语言和FreeRTOS等，提供灵活性和可扩展性。STM32芯片：具备强大的计算和外设功能。它提供多种型号和系列，可根据不同需求选择适合的型号。STM32系列具有广泛的软件和硬件生态系统，提供丰富的开发工具和资源。STC51芯片：STC51芯片具有成熟稳定的架构，广泛应用于嵌入式系统和传统的控制领域。它具有较低的功耗、较低的成本以及丰富的外设接口，适用于一些对性能要求不高的基本控制应用综合考虑您的需求，如果项目需要高性能、人杂算法处理等功能，建议选择K210芯片。如果项目需要较高的计算和外设功能，同时倾向于使用广泛的软件和硬件生态系统，可以考虑选择STM32芯片。如果项目对成本和功耗要求较低，并且需要基本的控制功能，STC51芯片可能是一个合适的选择最终的选型取决于具体的项目需求、预算和可系统设计使用STM32单片机。2.5通信方式选择在该设计中，采用ZigBee无线通讯模块。ZigBee通讯技术已被广泛应用于家居自动化，工业控制，环境监测等诸多领域。模块选择型号：选择符合IEEE802.15.4标准的ZigBee模块。市面上有许多厂商提供ZigBee模块，如TI（德州仪器）、NXP（恩智浦半导体）、Digi等。选型时需要考虑模块的功耗、通信距离、传输速率、接口类型等因素。ZigBee模组一般有下列特征：低耗电量：ZigBee使用了一种低耗电量的通讯协议，适用于以电池为能源的场合。网络安全：ZigBee采用AES-128密码体制，确保了数据的安全传递。多种通信模式：ZigBee支持点对点通信、广播通信和组播通信等不同的通信模式。网络拓扑灵活：ZigBee支持星型、网状、串型等多种网络拓扑结构，可根据应用需求进行灵活配置。监测到的湖泊生态环境数据可以及时传输到上位机进行实时监测和管理，实现智慧湖泊生态环境的数据采集与分析。同时，ZigBee模块的自组织网络特性使得系统具备灵活的扩展性和可靠性，能够适应复杂的环境要求。2.6射频模块选择在该设计中，选择了433MHz射频模块作为遥控模块和红外避障模块的通信方式。433MHZ是目前常用的一种无线通讯模块，它可以实现远距离、高穿透力，在远程控制、数据传送等方面有着广泛的应用。该模块采用433MHz频段进行通信，具有较低的功耗和较简单的硬件设计射频模块的选型和特性介绍如下：模块选型需求，选择适合的433MHz射频模块。市场上有多种厂商提供的射频模块，如RFM系列模块、NRF系列模块等。选型时需要考虑模块的传输距离、功耗、接口类型、数据传输速率等因素。特性介绍：433MHz射频模块通常具有以下特性：传输距离：射频模块可以实现较远的传输距离，适用于室内和室外的远距离通信。穿透能力：射频信号在一定程度上能够穿透障碍物，有利于信号传输的稳定性。低功耗：射频模块通常采用低功耗设计，适合电池供电的应用。简单接口：射频模块通常具有简单的串口接口，方便与单片机等设备进行连接和通信。多信道选择：射频模块支持多信道选择，可以避免与其他设备的干扰。通过选择433MHz射频模块，可以实现遥控模块和红外避障模块与下位机之间的无线通信。遥控模块通过射频信号向小船发送控制指令，实现对小船的远程操作和控制。红外避障模块通过射频信号将障碍物检测结果传输给下位机，从而实现小船的避障功能。射频模块的远距离传输和穿透能力能够满足湖泊环境下的通信需求综上所述，采用433MHz射频模块作为避障模块的通信方式，可以实现对小船的远程操作和避障控制，为智慧湖泊生态环境数据采集系统提供了可靠的无线通信功能。第3章系统的硬件部分设计3.1系统总体设计本课题研究的内容为智慧湖泊生态环境数据采集小船设计。该套系统主要由超声波测距模块、红外避障模块、水质检测模块、433MHZ遥控模块、ZigBee通信、STM32单片机、GPS定位模块、空气质量检测模块、小船等部分组成；采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。3.2系统的主要功能模块设计各模块器件价格表如表3.1表3.1器件型号模块型号价格/元超声波测距模块HC-SR045.08红外避障模块E18-D80NK2.68水质浊度检测模块TS-300B15水质PH值检测模块/50空气质量检测模块MQ-2-135-3-7-超声波测距模块设计超声波传感器是根据超声波的一些特性制造出来的，用于完成对超声波的发射和接收，内部的换能晶片受到电压的激励而发生振动产生超声波，超声波的频率高、波长短、方向性好、可以线性传播、对液体或者固体有不错的穿透效果。超声波测距模块通常具有两个引脚：触发和回响。连接模块时，需要将触发引脚连接到STM32单片机的一个数字输出引脚，回响引脚则连接到STM32单片机的一个数字输入引脚。工作原理：触发测距：STM32单片机通过向超声波测距模块的Trig引脚发送一个短暂的高电平脉冲信号，以触发超声波的发射。发射超声波：超声波测距模块接收到STM32单片机发送的触发信号后，开始发射一连串的超声波脉冲。接收回波：当超声波脉冲遇到障碍物并反射回来时，超声波测距模块会将接收到的回波信号转换为电信号，并通过Echo引脚发送给STM32单片机。测量距离：STM32单片机通过测量从触发信号到接收到回波信号的时间间隔，可以计算出小船与障碍物之间的距离。超声波测距模块通过测量回波时间来确定距离，其测距原理基于声波在空气中的传播速度。通过合理控制超声波的发射和接收，可以实现对小船周围物体的距离测量和障碍物的检测。通过超声波测距模块的连接和工作原理，智慧湖泊生态环境数据采集小船能够利用测得的距离信息，实现避障和航行控制，从而提高小船在湖泊环境中的安全性和准确性。图3.1超声波传感器模组实物图核心代码如下：voidAdc_Initvoid{AC_InitIypeDefADC_InitStructure;GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure:RCC_APB2PeriphClockCd(RCC_APB2PeriphGPIOARCCAPB2Periph_ADC1，EABLE)://使能ADC1通道时钟ROC_ADCCLKConfig(ROC_PCLK2_Div6);//设置ADC分频因子672M/6=12,ADC最大时间不能超过14MGPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin0;GPIO_InitStructure.GPIOMode=GPIOModeAIN://模拟输入引脚GPIO_Init(GPIOA，GPIOInitStructure)://作为模汉通道输入引脚GPIO_InitStructure.GPIOPin=GPIOPin1:GPIO_InitStructure.GPIOlode=GPIOModeAIN;//模拟输入引脚GPIO_Init(GPIOA@GPIoInitstructure):ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;//ADC工作模式ADC1和ADC2工作在独立模式AcC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE://模数转换工作在单通道模式ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE;//模数转换工作在单次转换模式ADC_InitStructure.ADC_ExternalIrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None//转换由软件而不是外部触发启动ADC_InitStructure.ADC_DataAlien=ADC_DataAlien_Right;//ADC教据右对齐ADC_Cnd(ADC1，ENABLE);//使能指定的ADC1ADC_ResetCalibration(ADC1)://使能复位校准while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1))://等待复位校准结束ADC_StartCalibration(ADC1)://开启AD校准while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1))://等待校准结束ADC_SoftwarestartconwCnd(ADC1,ENABLE):/使能指定的ADC1的软件转换启动功能}//获得ADC值//ch通道值0~3ul6Get_Ade(u8ch){//设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间ADC_RegularCharnalContig(ADC1，ch，1，ADC_SanpleTine_230Cycles5);//ADC1,ADC通道，采样时间为239.5周期ADC_SoftwareStartConvCnd(ADC1，ENABLE)://使能指定的ADC1的软件转换启动功能while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1，ADC_FLAG_EOC）)://等待转换结束returnADC_GetConversionValue(ADC1);//返回最近一次ADC1规则组的转换结果ul6Get_Adc_Awerage(u8ch,u8times)u32tenp_val=0:u8t;for(t=0;t<times:t++){temp_val+=Get_Adc(ch):delay_ms(5);returntempval/tine}3.2.2红外避障模块设计红外避障模块是一种常用的传感器模块，用于检测物体或障碍物的存在。它基于红外线技术，可以发射红外光束并接收反射的光信号来判断前方是否有物体。红外避障系统一般包括两个部分，一个是发射端，另一个是接收端。发射机发出一道红外线，而接收机则从目标处得到光学讯号。在有目标或障碍接近的情况下，发射端发射的激光束将被目标反射回接收端。当接收到被反射的光学信号后，输出一个电信号，用于指示有物体存在或触发其他相关的操作。红外避障模块的工作原理是基于物体对红外光的反射特性。物体的表面会反射入射光，而红外避障模块利用接收器来检测反射光的强度。当有物体靠近模块时，反射光的强度会增加，接收器可以通过检测到的强光信号来判断物体的存在。红外避障器在机器人导航，智能家居，自动化设备等方面有着广泛的应用。可用来构造障碍物避让系统，用于检测障碍物并采取相应的动作来避免碰撞。例如，当红外避障模块检测到前方有物体时，可以触发机器人停止或改变方向，以避免与物体发生碰撞。总的来说，红外避障模块是一种简单而有效的传感器模块，通过使用红外线技术实现对物体的检测和避障，具有广泛的应用潜力。连接：红外避障模块通常具有三个引脚：VCC（电源正极）、GND（电源地）和OUT（输出信号）。连接红外避障模块时，需要将VCC引脚连接到STM32单片机的正电源引脚，GND引脚连接到STM32单片机的地引脚，而OUT引脚则连接到STM32单片机的一个数字输入引脚。工作原理：发射红外信号：红外避障模块通过发射红外光束来探测周围的障碍物。当没有障碍物时，红外光束会保持稳定。接收反射信号：当红外光束遇到障碍物并反射回来时，红外避障模块会接收到反射的红外信号。输出信号：红外避障模块会将接收到的反射信号转换为电信号，并通过OUT引脚发送给STM32单片机。当有障碍物时，OUT引脚会输出一个低电平信号，表示检测到障碍物。通过检测红外避障模块的输出信号，STM32单片机可以判断周围是否存在障碍物，从而采取相应的控制策略，例如停止或改变小船的航行方向，以实现避障功能。红外避障模块在智慧湖泊生态环境数据采集小船设计中的应用可以提高小船的安全性和稳定性。通过与其他传感器（如超声波测距模块和GPS定位模块）的协同工作，小船可以实现自主避障和精确导航，从而更好地完成环境数据采集任务。图3.2红外避障传感器模组实物图3.2.3水质浑浊度检测模块设计水的浑浊度是由于水中包含了诸如泥沙、泥土、有机质、浮游生物、微生物等悬浮物而引起的。连接：水质浑浊度检测模块通常具有两个引脚：电源引脚和数据引脚。连接水质浑浊度检测模块时，需要将电源引脚连接到适当的电源电压，例如5V。数据引脚则连接到STM32单片机的一个模拟输入引脚。检测强度：水质浑浊度检测模块会测量光线在水中的强度。浑浊度越高，光线的强度减弱越明显。通过检测模块的输出信号，STM32单片机可以获取水体的浑浊度信息，并结合其他环境数据（如pH值、空气质量等）进行综合分析。这有助于了解湖泊水质的变化和污染情况，并采取相应的措施来保护和改善湖泊的生态环境。水质浑浊度检测模块的应用可以帮助监测湖泊水体的清澈程度，及时发现水质问题，并采取有效的措施进行治理。通过与其他传感器（如红外避障模块、超声波测距模块等）的协同工作，智慧湖泊生态环境数据采集小船可以全面监测湖泊的环境状况，为生态保护和科学研究提供有价值的数据支持。图3.3浊度传感器模组实物图核心代码如下：#include"adc.h"#include"zd.h"unsignedintzhuodu;unsignedcharzhuodux[10]:floatTU=0.0:floatTU_value=0.0:floatTU_calibration=0.0:floatK_Value=3047.19:voidTU_ValueConversion(){TU=(float)Get_Adc_Average(ADCChanne10)*33/4096://读取转换的AD值TU=-865.68*TU+2861.3fzhuodux[0]=(int)(TU)/1000+0’zhuodux[1]=(int)(TU)%1000/100+0’zhuodux[2]=(int)(TU)%100/10+0’zhuodux[3]=(int)(TU)%10+Ozhuodux[4]=0:}3.2.4水质PH值检测模块设计水质pH值检测模块在智慧湖泊生态环境数据采集小船设计中扮演着重要的角色。它用于测量湖泊水体的酸碱程度，即pH值。以下是水质pH值检测模块的连接和工作原理：连接：水质pH值检测模块通常具有两个引脚：电源引脚和数据引脚。连接水质pH值检测模块时，需要将电源引脚连接到适当的电源电压，例如5V。数据引脚则连接到STM32单片机的一个模拟输入引脚。工作原理：测量电位：水质pH值检测模块使用玻璃电极或半导体传感器浸泡在水样中。这些电极或传感器可以感知水中的氢离子浓度。产生电信号：根据水样中的氢离子浓度，水质pH值检测模块会产生相应的电信号。有助于了解湖泊水质的变化和污染情况，并采取相应的措施来保护和改善湖泊的生态环境。水质pH值检测模块的应用可以帮助监测湖泊水体的酸碱程度，及时发现水质问题，并采取有效的措施进行调整。通过与其他传感器（如红外避障模块、超声波测距模块等）的协同工作，智慧湖泊生态环境数据采集小船可以全面监测湖泊的环境状况，为生态保护和科学研究提供有价值的数据支持。图3.4PH值监测模块原理实物图核心代码如下：#include"adc.h#include"ph.h"u16adcx;u8PHyus[15]u8ph[15]:intPH:floatPH_Value:voidPH_Value_Conversion(){adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_1，10):PH_Value=(float)adcx*(3.3/4096):PH_Value=-57541*PH_Value+14.654:if(PH_Value<=0.0){PH_Value=0.0:}if(PH_Value>=14.0){PH_Value=14.0:}PH=PH_Value*10:}3.2.5空气质量检测模块设计空气质量检测模块在智慧湖泊生态环境数据采集小船设计中是一个重要的硬件组成部分。该模块的设计旨在监测湖泊周围空气的质量参数，为环境监测和数据采集提供关键信息。空气质量检测模块在智慧湖泊生态环境数据采集小船设计中具有重要意义，可以提供关键的环境参数信息，为生态环境监测和保护工作提供支持。烟雾检测模块是智慧湖泊生态环境数据采集小船设计中的一个重要硬件组件。该模块的设计旨在监测湖泊周围空气中的烟雾浓度，以提供关键的环境信息和安全保障。数据存储和传输：借助ZigBee通信模块，将处理后的烟雾浓度数据通过无线通信发送到上位机或其他远程设备，以便进一步分析和监测。报警装置：设计合适的报警装置，如蜂鸣器或警示灯等，用于在检测到高浓度的烟雾时发出警报。通过烟雾检测模块，可以实时监测湖泊周围空气中的烟雾浓度。这对于早期发现潜在火灾、烟雾污染和安全事件具有重要意义。系统可以根据检测到的烟雾浓度数据，及时采取相应的应急措施，例如发出警报、触发灭火装置或及时报警给相关部门。此外，烟雾检测模块与其他模块的数据综合分析，可以提供更全面的湖泊生态环境信息。通过整合空气质量、水质情况等数据，可以为湖泊环境监测和保护提供更准确的判断和决策依据。综上所述，烟雾检测模块在智慧湖泊生态环境数据采集小船设计中具有重要的意义。它可以提供关键的环境监测信息，帮助及时发现潜在的火灾和烟雾污染，保障湖泊生态环境的安全和健康。图3.5空气质量监测模块实物图

第4章系统的软件设计4.1软件主流程图本设计研究的内容为智慧湖泊生态环境数据采集小船设计。采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接受数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。通过利用GPS定位模块获取当前位置和目标位置的坐标信息，并结合航向传感器等数据，STM32单片机将计算出小船需要调整的航向角度和速度。通过控制小船的电机实现小船的自主巡航。图4.1上位机软件界面图图4.2总体流程图4.2监测模块的软件设计采用STM32单片机技术处理对水质检测模块、GPS定位模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况。图4.3总体监测流程图核心代码如下：send[0]='w';send[1]='1';send[2]=distance_cm%10000/1000+'0'send[3]=distance_cm%1000/100+'0'send[4]=distance_cm%100/10+'0';send[5]=distance_cm%10+'0';send[6]=PH/100+'0';send[7]=PH%100/10+'0';send[8]='.':send[9]=PH%10+'0'send[10]=zhuodux[0]send[11]=zhuodux[1]send[12]=zhuodux[2]send[13]=zhuodux[3]:send[14]=biaozhi1x10+'0'send[15]=biaozhi2%10+'0'send[16]=biaozhi3%10+'0'send[17]=weidu[0]send[18]=weidu[1]send[19]=weidu[2]send[20]=weidu[3]send[21]=weidu[4]send[22]:=weidu[5]send[23]=weidu[6]send[24]=weidu[7]send[25]=weidu[8]send[26]=jingdu[0send[27]=jingdu[1]send[28]=jingdu[2]send[29]=jingdu[3]send[30]=jingdu[4]send[31]=jingdu[5]send[32]=jingdu[6]send[33]=jingdu[7];send[34]=jingdu[8];send[35]=jingdu[9];send[36]='z':send[37]=0;USART2_Puts(send);delay_ms(500);4.3红外避障模块的软件设计采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接受数据并显示，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。图4.4红外避障流程图核心代码如下：//ultick5ms=0:GetDistanceDelay();/11//延时的方式读取距离值voidGetDistanceDelay(void)//发送触发信号Trig_SET:status=1:TIM_SetCounter(TIM4，0):TIM_Cnd(TIM4，ENABLE)://打开定时器while(TIM_GetCounter(TIM4)<11)://延时超过10usstatus=2:Trig_RESET:TIM_SetCounter(TIM4，0):while(Echo==0)//等待回向信号起始位置{if(TIMGetCounter(TIM4)>60000)//回应时间超出正常范围{status=0:distance_cm=0://失败后就后退TIM_Cnd(TIM4，DISABLE)://关闭定时器return://本次失败}}TIM_SetCounter(TIM4，0):while(Echo==1)//开始计算长度{intcount=TIM_GetCounter(TIM4):if(count>60000)//回应时间超出正常范围{status=0:distance_cm=0://失败后就后退TIM_Cnd(TIM4DISABLE)://关闭定时器return://本次失败}}dis_count=TIM_GetCounter(TIM4):TIM_Cnd(TIM4，DISABLE)://关闭定时器distance_cm=(unsignedint)(((long)(dis_count)*340)/2000)://声速340m/sstatus=0://准备下次发送}4.4遥控模块的软件设计采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。图4.5遥控流程图核心代码如下：voldUSART2_IRQHandler(void){u8res：if(USART_GetITStatus(UBART2,UBART_IT_RXME)!=RESET)//接收到数据{res=USART_ReceiveData(USART2);if(reg=='w'){RX2_Count=0;USART2_RX_STA=0;}USART2_RX_BUF[RX2_Count++]=res;if(RX2_Count>=60){RX2_Count=60;}if(res=='z'){USARI2_RX_STA=1;}4.5上位机下位机通信设计该设计中的上位机和下位机通过ZigBee通信技术进行连接。下位机使用STM32单片机处理模块采集到的数据，通过ZigBee模块将数据传输到上位机。上位机作为接收端使用电脑端来接收和显示下位机发送的数据。具体的连接方式可以描述如下：下位机：STM32单片机为主控制器，红外避障模块、空气质量检测部分（颗粒物传感器、气体传感器，水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块与STM32单片机进行连接，通过相应的接口进行数据传输和通信。同时，下位机还配备了433MHZ遥控模块用于控制小船的移动。上位机部分：数据传输给电脑端进行接收和显示。上位机通过相应的软件或应用程序进行数据的处理和展示。通过这种连接方式，下位机可以实时将采集到的湖泊生态环境数据发送到上位机进行监测和显示。上位机可以接收并处理这些数据，对水质情况、小船运动等进行监控和控制，实现智慧湖泊生态环境的数据采集和管理。图4.6通信实物图4.6数据库设计在智慧湖泊生态环境数据采集小船设计中，数据库起着重要的作用，用于存储和管理采集到的数据。数据库：例如MySQL、SQLite、MongoDB等。在本设计中，可以选择MySQL作为数据库系统，因为它支持结构化数据存储和查询，并且具有广泛的应用和稳定性。以下是可能的数据表示例：超声波测距数据表：包含时间戳、距离等字段，用于存储超声波测距模块采集的数据。红外避障数据表：包含时间戳、障碍物检测结果等字段，用于存储红外避障模块采集的数据。水质检测数据表：包含时间戳、浑浊度、pH值等字段，用于存储水质检测模块采集的数据。GPS定位数据表：包含时间戳、经纬度等字段，用于存储GPS定位模块采集的数据。空气质量检测数据表：包含时间戳、温度、湿度等字段，用于存储空气质量检测模块采集的数据。数据表关系：根据数据之间的关联性，建立表之间的关系。例如，可以使用外键来关联小船信息表和各个传感器数据表，以便查询和管理数据时可以根据小船标识进行关联。数据库操作接口：设计适当的数据库操作接口，用于与STM32单片机和上位机进行数据交互。这些接口应包括数据存储、查询和更新等功能，以实现数据的有效管理和利用。通过合理的数据库设计，可以实现对智慧湖泊生态环境数据的有效存储和管理。数据库将成为系统的核心数据存储和处理中心，为数据分析、展示和决策提供支持。同时，可以通过合理的索引设计和查询优化，提高数据查询效率，实现对大量数据的快速访问和分析。图4.7数据库界面图4.7空气质量检测模块软件设计空气质量检测模块的软件设计是智慧湖泊生态环境数据采集小船设计中的关键部分。该模块的软件设计旨在实现对空气质量参数的实时监测、数据处理和展示，并与其他模块进行数据交互和系统协调。以下是空气质量检测模块的软件设计要点：数据处理和分析：利用软件算法对采集到的数据进行处理和分析，以获得准确的空气质量参数。数据存储和传输：将处理后的空气质量数据存储在内部存储器或外部存储介质中，以便后续的数据分析和查询。同时，通过无线通信模块，将实时的空气质量数据传输到上位机或其他远程设备，以便远程监测和远程控制。界面设计和显示：设计用户友好的界面，通过OLED液晶显示屏或其他显示设备，实时展示空气质量参数和相关信息。可以使用图表、图像或文字等形式进行数据展示，以方便用户理解和分析。报警和预警功能：根据空气质量参数设定相应的阈值，当空气质量异常时，触发报警或预警机制，例如触发蜂鸣器声音、闪烁警示灯或发送警报信息等，提醒用户注意空气质量状况。软件设计的可靠性和灵活性将影响系统的稳定性和用户体验，因此需要充分考虑软件架构、算法优化和用户界面设计等方面的因素，以确保空气质量检测模块的性能和可靠性。图4.8空气质量流程图第5章系统测试5.1系统实物图该套系统主要由超声波测距模块、红外避障模块、水质检测模块、433MHZ遥控模块、ZigBee通信、STM32单片机、GPS定位模块、小船等部分组成；采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机，采用电脑端作为上位机接受上位机的数据并显示，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。图5.1总体实物图5.2原理测试采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并发送到上位机，水质检测模块检测如浑浊度和pH值等水质情况，遥控模块和红外避障以及超声波测距对小船的移动进行控制并躲避障碍物。本系统可以正常采集各项数据并完成实时传输到显示界面，可以通过下方设置按钮正常设置域值，最后也可以通过历史查询来查询所有的历史数据资料。图5.2数据监测测试图5.3阈值设定测试图5.4历史记录查询测试通过该设计的分析，可以得出以下结论：水质检测模块能够实时监测水体的浑浊度和pH值等水质情况，提供对水质的评估和监控。超声波测距模块能够准确测量小船与障碍物之间的距离，实现对小船移动的控制和避障功能。空气质量检测去检测空气中颗粒物和非正常气体，红外避障模块能够检测周围环境中的障碍物，当有障碍物存在时，通过相应的控制策略使小船躲避障碍物，提高小船的安全性和可靠性。GPS定位模块能够获取小船的准确位置信息，实现对小船的定位和追踪功能。433MHZ遥控模块可以通过遥控器对小船进行远程控制，提供更便捷的操作方式。综合以上结论，该设计实现了对水体的水质监测、小船的避障控制和远程控制功能，提供了一个多功能、智能化的水上环境监测和控制系统。

第6章总结与展望6.1总结本设计为智慧湖泊生态环境数据采集小船，并探讨其在湖泊环境监测和保护中的应用。通过对小船结构设计、传感器选择、智能化导航系统、数据采集和处理系统、能源供应系统以及安全保护机制的研究和设计，提出了一个全面的总体方案。首先，通过合理设计小船的结构和机械系统，确保小船在湖泊表面的稳定性和操控性，以便自由移动和采集数据。其次，选择适用的水质和空气质量监测传感器和设备，以实时监测关键参数，如浑浊度、pH值、颗粒物浓度和气体污染物浓度等。同时，开发智能化的导航系统，实现小船的自主导航和路径规划，以确保安全和避免碰撞。在总体方案设计中，还考虑了安全保护机制，包括防水措施、碰撞避免系统和紧急停止机制等。这些机制保证了小船在恶劣天气或紧急情况下的安全性。最后，通过实地测试和验证，评估了小船的性能、可靠性和数据采集准确性。根据测试结果进行了优化和改进，以确保小船在实际应用中的有效性和可靠性。本论文的研究成果对于提高湖泊生态环境数据采集的效率和准确性，实现湖泊生态环境监测的实时性和连续性，支持湖泊生态系统管理和保护决策具有重要意义。同时，推动智能化技术在湖泊环境监测领域的应用，促进湖泊可持续发展和环境保护的实现。6.2展望完成一个智慧湖泊生态环境数据采集小船设计；采用STM32单片机技术处理对红外避障模块、水质检测模块、GPS定位模块和超声波测距模块采集到的参数并通过ZigBee模块发送到上位机；虽然本论文已经提出了智慧湖泊生态环境数据采集小船的设计方案并进行了初步验证，但仍有一些方面可以进一步探索和改进。以下是对未来研究方向的展望：1.系统集成与优化：进一步完善小船系统的集成，优化各个模块之间的协同工作。例如，将导航系统与数据采集和处理系统更加紧密地集成，以提高数据的准确性和实时性。此外，还可以探索使用机器学习和人工智能算法，对采集的数据进行更深入的分析和模式识别，以提供更丰富的湖泊生态环境信息。2.多参数监测与扩展传感器选择：除了水质和空气质量参数，进一步研究和整合其他关键参数的监测。考虑扩展传感器的选择，如氧气含量、水中有机物含量、光照强度等，以提供更全面的湖泊生态环境数据。同时，研究如何降低传感器的功耗和尺寸，以实现更多参数的同时监测。3.长期监测与数据共享：探索长期监测方案，使小船能够长时间稳定运行并实时采集数据。考虑将小船与数据中心或云平台连接，实现数据的远程存储和实时共享。这将为科研人员、政府机构和环境管理部门提供重要的湖泊生态环境数据资源，支持决策制定和跨领域合作。4.环境交互与生态保护：研究如何实现小船与湖泊环境的互动和响应，例如通过自主避开生态敏感区域或采取相应措施减少对湖泊生态系统的干扰。同时，关注湖泊生态保护与修复方面的研究，通过结合生物学、生态学等学科的知识，开发小船与生态修复技术的结合应用，促进湖泊生态环境的恢复与保护。5.技术升级与应用推广：跟随技术的发展，研究新的传感器技术、通信技术和导航技术的应用，提升小船的性能和功能。同时，积极推广应用智慧湖泊生态环境数据采集小船的理念和技术，促进其在湖泊管理、环境保护、科学研究和教育等领域的广泛应用。综上所述，智慧湖泊生态环境数据采集小船的研究具有广阔的发展前景。通过持续的研究和改进，可以提高小船的性能和功能，为湖泊生态环境管理和保护提供更准确、全面的数据支持，推动湖泊可持续发展和环境保护的实现。

参考文献卜志国.海洋生态环境监测系统数据集成与应用研究[D].中国海洋大学,2010.王巍淞,马巧梅,申连雄.基于物联网的农村饮用水水质监测系统的设计[J].科学技术创新,2022(27):51-55.汪蓉.建设城市供水管网水质在线监测系统的研究[J].电子质量,2022(09):14-16.李超凡,晏磊,代振飞,丁庆安,李俊凯,程旭东.基于鸿蒙OS的多源数据融合水质监测系统设计[J].物联网技术,2022,12(09):13-16.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2022.09.004.马银鑫,郭来功,朱明智,聂胜军.基于微控制器的水质监测系统设计[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2022,32(03):53-57.姜子豪,李文,张志永,张鹏.基于嵌入式技术的远程宽光谱多参数水质监测系统设计[J].现代电